嵌入式硬件学习（九）——字符设备驱动

一、Linux驱动程序介绍

   linux系统驱动程序分为三大类，字符设备驱动，块设备驱动和网络设备驱动。 一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如USB WIFI，由于其使用USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

1. 字符设备驱动： 是使用最多的一种，从点灯到IIC， SPI，音频设备等的驱动都是字符设备驱动。
2. 块设备驱动： 所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、 SD 卡和U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。
3. 网络设备驱动： 就是网络驱动，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。

二、字符设备驱动

1、字符设备驱动介绍

  字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI、 LCD等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

  linux系统中万物皆文件，驱动程序加载后会在/dev目录下生成一个对应的文件，如/dev/led。应用程序就是先用open打开该文件，用write控制led的亮灭，用read读取led的亮灭，用完之后用close关闭该文件。这里需要注意的是，应用程序运行在用户空间，驱动程序运行在内核空间。应用程序必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。一个open函数执行的过程如下，明显地，驱动程序必须也得有个open函数才行，那么怎么写这个open函数？写在哪里？如何编译就是我们接下来要学习地内容。

2、编写驱动程序源码

  linux源码中字符设备驱动程序存放在driver/char目录下，我们也可以将我们自己的驱动程序保存在该目录下，如下图所示。有了这个.c文件之后如何去编译呢？在此之前先介绍一个知识点——编译流程和Makefile编写。

3、编译流程和Makefile编写

(1)首先介绍一个编译和链接的问题，编写三个函数放在一个文件夹下面，分别为main.c、add.c、sub.c。

(2)用命令gcc -oapp main.c add.c sub.c 进行编译就会的到一个app的可执行文件，./app就输出结果。

(3)上述生成app的过程可以拆分为编译和链接两个过程。首先只编译不链接：gcc -c main.c -omain.o , 在这个过程中，会编译出目标文件，但是有个问题是：无法知道在main函数中的add和sub两个函数在哪找，就到了第二步——链接，这一步的目的就是把编译出来的.o文件中的空缺的add和sub跳转地址填补进去。

（4）如果该文件夹下面的程序多，那么如果只修改或者添加一个程序，使用上面的命令则会将修改的没修改的再编译一遍，导致效率降低。所以一般大型工程项目就会编写一个Makefile文件，该文件的目的就是编译只修改过的程序，搭建一个依赖和目标的关系， 提高开发效率。

（5）使用命令make进行编译，得到如下结果

4、编译驱动程序

  此处有两种方法：修改Makefile和编写一个Makefile

（1）修改Makefile

1. 使用vi drivers/char/Kconfig 进入配置文件中
2. 找到config MINI2440_HELLO_MODULE进行参考并改写一个FIRST_DRIVER改写，如下图所示。
   
3. 执行make menuconfig，进入到Device Drivers——Character devices，看到有个First driver，选择模式为M，进入Help，拷贝CONFIG_FIRST_DRIVER之后保存退出。
4. 使用vi drivers/char/Makefile 进入Makefile，添加一行代码，保存退出。
   
5. 输入make modules 进行编译，通过ls drivers/char/ 可以看到生成了.ko文件。
   
6. 使用 cp drivers/char/first_driver.ko ~/nfs/rootfs 将生成的驱动程序拷贝到根文件系统下。
7. 之后在2440中分别使用insmod、lsmod、rmmod加载、查看和卸载驱动程序。
   

（2）编写一个Makefile

5、完善驱动程序

  在first_driver.c中只是编写了init和exit两个函数，但具体功能没有实现。所有驱动程序对应的外设都应该在/dev下面有一个具体的文件，通过open、read、write和close进行数据传递。

（1）字符设备驱动程序注册函数编写

  目前我们编写的是一个字符设备驱动程序，字符设备驱动程序将来被linux加载的时候需要注册这个驱动程序。其实无论哪种驱动程序，按照linux的做法在加载时都需要注册。字符设备驱动程序注册函数为：

这个函数总共有三个参数，下面一一说明：

1. unsigned int major：主设备号，一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。主设备号和次设备号统称为设备号。主设备号用来表示一个特定的驱动程序。次设备号用来表示使用该驱动程序的设备。简单来说， linux需要一个数来管理某个驱动程序和使用这个驱动程序的设备。很明显，这个设备号具有唯一性。我们可以使用cat /proc/devices命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号。在接下来的程序中，我们可以设置一个静态的主设备号，比如200。设置时一定要注意不能使用已经用了的主设备号。
   
2. *const char name：为驱动程序起一个名字
3. const struct file_operations fops ：是一个指向file_operations的结构体指针，这个结构体中变量如下图所示，包含打开、关闭、读和写*等等，这个结构体里面的成员绝大多数都是函数的指针。
   
   ① open 函数用于打开设备文件
   ② release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close函数对应
   ③ read 函数用于读取设备文件
   ④ write 函数用于向设备文件写入(发送)数据
   ⑤ poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写
   ⑥ owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE

（2）完善后的代码

  在这段代码中，首先定义了驱动的初始化函数first_driver_init和销毁函数first_driver_exit ，在初始化函数中需要对这个驱动进行注册register_chrdev，在销毁时需要注销unregister_chrdev。在注册函数中需要定义一个结构体，这个结构体中大多数为函数指针，指向要调用的函数，我们编写了first_driver_open、first_driver_close、first_driver_read和first_driver_write来初始化该指针。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>

int first_driver_open(struct inode *p_node, struct file *fp)
{
	printk("open\n");
	return 0;
}
int first_driver_close(struct inode *p_node, struct file *fp)
{
	printk("close\n");
	return 0;
}
ssize_t first_driver_read(struct file *fp, char __user *user_buffer, size_t n, loff_t *offset)
{
	printk("read\n");
	return 0;

}
ssize_t first_driver_write(struct file *fp, char __user *user_buffer, size_t n, loff_t *offset)
{
	printk("write\n");
	return 0;
}

struct file_operations fops = 
{
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = first_driver_open,
	.release = first_driver_close,
	.read = first_driver_read,
	.write = first_driver_write
};

static int __init first_driver_init(void)
{
	int ret;
	printk("init\n");
	ret = register_chrdev(200, "first driver", &fops);
	if(ret != 0)
	{	
		return ret;
	}
	return 0;
}

static void __exit first_driver_exit(void)
{
	unregister_chrdev(200, "first driver");
	printk("exit\n");
}

module_init(first_driver_init);
module_exit(first_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ZY");

（3）字符设备和文件的关联

  进行make编译，将生成的驱动程序.ko拷贝到2440中，之后insmod first_driver.c进行驱动安装，利用cat proc/devices 也可以看到注册的字符设备存在，但是发现/dev下面没有相关文件。

  此时，需要手动创建一个字符设备和文件关联在一起，使用命令：mknod /dev/first c 200 0，表示创建一个结点，创建到/dev下面first文件，c表示创建的设备为字符设备，200表示主设备号，0表示子设备号。

（4）主函数调用

  在nfs/rootfs中创建一个main.c,编写程序实现write调用。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
	int fd = open("/dev/first", O_RDWR);
	if(fd < 0)
	{
		puts("error");
		return -1;
	}
	while(1)
	{
		int i = 10;
		write(fd, &i, 4);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

之后arm-linux-gcc编译之后，在2440上面运行得到结果。

三、如何在linux中实现函数查看跳转

ctags -R .

（1）ctags 命令简介
   ctags是一个用于生成索引文件（tags 文件）的工具。这个索引文件可以帮助文本编辑器（如 Vim）等工具实现快速的代码导航。例如，在一个大型的 C/C++ 或其他编程语言的代码库中，通过索引文件，编辑器可以快速地定位函数、类、变量等各种代码元素的定义位置。
（2） -R选项含义
   -R是ctags命令的一个选项，它表示递归（recursive）。在命令ctags -R.中，.代表当前目录。所以ctags -R.的意思是从当前目录开始，递归地对所有子目录和文件进行扫描，生成一个包含所有代码元素（如函数、类等）索引信息的tags文件。
（3） 使用
  编写好所有.c或者.h文件后，在当前文件夹输入上述命令。之后在main.c中将光标指在函数名的地方，ctrl+] 即可完成跳转，ctrl+t 即可恢复。